各類網絡協議（一）

時間 2019-12-14

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　　國際標準化組織（International Standard Organization,ISO）公佈了開放系統互連參考模型（OSI/RM）。OSI/RM是一種分層的體系結構，參考模型共有7層。TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)做爲Internet的核心協議。它是個協議族，包含多種協議。分層的基本想法是每一層都在它的下層提供的服務基礎上提供更高級的增值服務，而最高層提供能運行分佈式應用程序的服務。網絡

　　下面會出現網關詞彙，爲了防止看不懂，提早介紹：網關(Gateway)又稱網間鏈接器、協議轉換器，局域網中的機器想要訪問局域網外的機器須要經過網關。默認網關在網絡層上以實現網絡互連，是最複雜的網絡互連設備，僅用於兩個高層協議不一樣的網絡互連。網關的結構也和路由器相似，不一樣的是互連層。網關既能夠用於廣域網互連，也能夠用於局域網互連

【說明：因爲歷史的緣由，許多有關TCP/IP的文獻曾經把網絡層使用的路由器稱爲網關，在今天不少局域網採用都是路由來接入網絡，所以一般指的網關就是路由器的IP！】

1.網絡協議分層

互聯網協議按照功能不一樣分爲osi七層或tcp/ip五層或tcp/ip四層併發

每層運行常見物理設備app

發送請求的過程是從最頂層（應用層）出發，每一層負責封裝屬於本身的信息到請求中，最後將一整個請求發送給對方。
接收請求的過程是從最底層（網絡接口層）開始，每一層的協議負責解析屬於本身的東西，好比網際層（IP）處理ip信息，傳輸層（TCP）處理點對點的端口，應用層（HTTP）處理Request或Response的Line\Header\Body。tcp

1、二層設備和三層設備

二層設備：物理層-數據鏈路層，屬於數據鏈路層的設備，只能識別mac地址，如網橋，二層交換機，
三層設備：物理層-數據鏈路層-網絡層，屬於網絡層的設備，能識別mac地址和ip地址，如路由器，三層交換機，ip網關分佈式

三層設備路由器的結構：
google

各層次的做用：

物理層：完成比特流的接受和發送
數據鏈路層：完成拆幀和封裝幀
網絡層：處理IP分組頭

路由器和網橋的區別：

網橋可以在數據鏈路層實現不一樣數據鏈路層協議的局域網的鏈接，而路由器可以實現不一樣網絡的互聯，
（1）例若有兩個B類網絡，192.168.0.1和173.125.1.23，屬於不一樣的網絡，路由器能夠實現互聯，而網橋不能互聯
（2）例若有兩個B類網絡，192.168.0.1和192.168.1.1，屬於同一個的網絡的不一樣子網，路由器能夠實現互聯，網橋也能夠實現互聯
網橋能夠劃分衝突域，可是不能劃分廣播域，由於網橋是二層識別，對於高層ip來講是透明的，而路由器能夠劃分廣播域，由於路由器不轉發廣播ip分組

ps：
衝突域：一次載波監聽的範圍，一個站點向另外一個站點發出信號。除目的站點外，有多少站點能收到這個信號，這些站點就構成一個衝突域；
廣播域：是一次廣播發生的範圍，多個衝突域構成一個廣播域

2、子網、局域網、網段的關係

局域網

數據鏈路層的概念，指二層可達的網絡（也就是不須要三層設備，如路由器，也能到達的網絡），通俗得講就是小範圍的網絡

子網

子網是網絡層的概念，和局域網沒有直接的關係，是把一個ip網絡劃分爲幾個小範圍的網絡，可是在平時不要求精確性的時候，局域網能夠對應子網，也就是說，子網也是二層可達，子網之間須要三層設備

網段

是物理層的定義，使用同一物理層設備（傳輸介質，中繼器，集線器等）可以直接通信的那一部分
1. 使用同一物理層的設備之間必然經過相同的傳輸介質直接相互鏈接，（如交叉雙絞線直接鏈接的兩臺主機），是一個網段
2. 兩組其傳輸介質並不是直接相連的網絡設備，若是它們的傳輸介質經過工做在物理層的擴展設備如中繼器和集線器等轉接鏈接，則仍然被視爲同一物理層中的設備，是一個網段
3. 工做在數據鏈路層或更高層的設備如網橋、交換機、路由器等等，由它們鏈接起來的兩組設備仍然分別處於各自獨立的物理層，是兩個網段

總結

在不要求精確性的狀況下，子網、局域網和網段能夠理解爲同一個意思，可是同一個局域網/同一個子網/同一個網段和同一個網絡不是同一個概念

2.網絡協議各層級理解

首先，用戶感知到的只是最上面一層應用層，自上而下每層都依賴於下一層，因此咱們從最下一層開始切入，比較好理解

每層都運行特定的協議，越往上越靠近用戶，越往下越靠近硬件

物理層

物理層由來：上面提到，孤立的計算機之間要想一塊兒玩，就必須接入internet，言外之意就是計算機之間必須完成組網

物理層功能：主要是基於電器特性發送高低電壓(電信號)，高電壓對應數字1，低電壓對應數字0

數據鏈路層

數據鏈路層由來：單純的電信號0和1沒有任何意義，必須規定電信號多少位一組，每組什麼意思

數據鏈路層的功能：定義了電信號的分組方式

以太網協議：

早期的時候各個公司都有本身的分組方式，後來造成了統一的標準，即以太網協議ethernet

ethernet規定

一組電信號構成一個數據包，叫作‘幀’
每一數據幀分紅：報頭head和數據data兩部分

head

data

head包含：(固定18個字節)

發送者／源地址，6個字節
接收者／目標地址，6個字節
數據類型，6個字節

data包含：(最短46字節，最長1500字節)

數據包的具體內容

head長度＋data長度＝最短64字節，最長1518字節，超過最大限制就分片發送

mac地址：

head中包含的源和目標地址由來：ethernet規定接入internet的設備都必須具有網卡，發送端和接收端的地址即是指網卡的地址，即mac地址

mac地址：每塊網卡出廠時都被燒製上一個世界惟一的mac地址，長度爲48位2進制，一般由12位16進制數表示（前六位是廠商編號，後六位是流水線號）

廣播：

有了mac地址，同一網絡內的兩臺主機就能夠通訊了（一臺主機經過arp協議獲取另一臺主機的mac地址）

ethernet採用最原始的方式，廣播的方式進行通訊，即計算機通訊基本靠吼

網絡層

網絡層由來：有了ethernet、mac地址、廣播的發送方式，世界上的計算機就能夠彼此通訊了，問題是世界範圍的互聯網是由

一個個彼此隔離的小的局域網組成的，那麼若是全部的通訊都採用以太網的廣播方式，那麼一臺機器發送的包全世界都會收到，

這就不只僅是效率低的問題了，這會是一種災難

上圖結論：必須找出一種方法來區分哪些計算機屬於同一廣播域，哪些不是，若是是就採用廣播的方式發送，若是不是，

就採用路由的方式（向不一樣廣播域／子網分發數據包），mac地址是沒法區分的，它只跟廠商有關

網絡層功能：引入一套新的地址用來區分不一樣的廣播域／子網，這套地址即網絡地址

IP協議：

規定網絡地址的協議叫ip協議，它定義的地址稱之爲ip地址，普遍採用的v4版本即ipv4，它規定網絡地址由32位2進製表示
範圍0.0.0.0-255.255.255.255
一個ip地址一般寫成四段十進制數，例：172.16.10.1

ip地址分紅兩部分

網絡部分：標識子網
主機部分：標識主機

注意：單純的ip地址段只是標識了ip地址的種類，從網絡部分或主機部分都沒法辨識一個ip所處的子網

例：172.16.10.1與172.16.10.2並不能肯定兩者處於同一子網

子網掩碼

所謂」子網掩碼」，就是表示子網絡特徵的一個參數。它在形式上等同於IP地址，也是一個32位二進制數字，它的網絡部分所有爲1，主機部分所有爲0。好比，IP地址172.16.10.1，若是已知網絡部分是前24位，主機部分是後8位，那麼子網絡掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進制就是255.255.255.0。

知道」子網掩碼」，咱們就能判斷，任意兩個IP地址是否處在同一個子網絡。方法是將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算（兩個數位都爲1，運算結果爲1，不然爲0），而後比較結果是否相同，若是是的話，就代表它們在同一個子網絡中，不然就不是。

好比，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子網掩碼都是255.255.255.0，請問它們是否在同一個子網絡？二者與子網掩碼分別進行AND運算，

172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001

255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

AND運算得網絡地址結果：10101100.00010000.00001010.000000000->172.16.10.0

172.16.10.2：10101100.00010000.00001010.000000010

255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

AND運算得網絡地址結果：10101100.00010000.00001010.000000000->172.16.10.0

結果都是172.16.10.0，所以它們在同一個子網絡。

總結一下，IP協議的做用主要有兩個，一個是爲每一臺計算機分配IP地址，另外一個是肯定哪些地址在同一個子網絡。

ip數據包

ip數據包也分爲head和data部分，無須爲ip包定義單獨的欄位，直接放入以太網包的data部分

head：長度爲20到60字節

data：最長爲65,515字節。

而以太網數據包的」數據」部分，最長只有1500字節。所以，若是IP數據包超過了1500字節，它就須要分割成幾個以太網數據包，分開發送了。

以太網頭

ip 頭

ip數據

ARP協議

arp協議由來：計算機通訊基本靠吼，即廣播的方式，全部上層的包到最後都要封裝上以太網頭，而後經過以太網協議發送，在談及以太網協議時候，我門瞭解到

通訊是基於mac的廣播方式實現，僅僅有IP地址是不夠的，由於IP數據報文必須封裝成幀才能經過物理網絡發送。計算機在發包時，獲取自身的mac是容易的，如何獲取目標主機的mac，就須要經過arp協議

arp協議功能：廣播的方式發送數據包，獲取目標主機的mac地址

協議工做方式：每臺主機ip都是已知的（倆主機聯繫前已知雙方的ip地址）

例如：主機172.16.10.10/24訪問172.16.10.11/24

	源mac	目標mac	源ip	目標ip	數據部分
發送端主機	發送端mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	172.16.10.11/24	數據

一：首先經過ip地址和子網掩碼區分出本身所處的子網

假設主機A和B在同一個網段，主機A要向主機B發送信息。具體的地址解析過程以下
(1)主機A首先查看本身的ARP表，肯定其中是否包含有主機B對應的ARP表項。若是找到了對應的MAC地址，則主機A直接利用ARP表中的MAC地址，對IP數據包進行幀封裝，並將數據包發送給主機B。
(2)若是主機A在ARP表中找不到對應的MAC地址，則將緩存該數據報文，而後以廣播方式發送一個ARP請求報文。ARP請求報文中的發送端IP地址和發送端MAC地址爲主機A的IP地址和MAC地址，目標IP地址和目標MAC地址爲主機B的IP地址和全0的MAC地址。因爲ARP請求報文以廣播方式發送，該網段上的全部主機均可以接收到該請求，但只有被請求的主機（即主機B）會對該請求進行處理。
(3)主機B比較本身的IP地址和ARP請求報文中的目標IP地址，當二者相同時進行以下處理：將ARP請求報文中的發送端（即主機A）的IP地址和MAC地址存入本身的ARP表中。以後以單播方式發送ARP響應報文給主機A，其中包含了本身的MAC地址。
(4)主機A收到ARP響應報文後，將主機B的MAC地址加入到本身的ARP表中以用於後續報文的轉發，同時將IP數據包進行封裝後發送出去。
當主機A和主機B不在同一網段時：

主機A就會先向網關發出ARP請求，ARP請求報文中的目標IP地址爲網關的IP地址。當主機A從收到的響應報文中得到網關的MAC地址後，將報文封裝併發給網關。若是網關沒有主機B的ARP表項，網關會廣播ARP請求，目標IP地址爲主機B的IP地址，當網關從收到的響應報文中得到主機B的MAC地址後，就能夠將報文發給主機B；若是網關已經有主機B的ARP表項，網關直接把報文發給主機B。

應用層

應用層由來：用戶使用的都是應用程序，均工做於應用層，互聯網是開發的，你們均可以開發本身的應用程序，數據多種多樣，必須規定好數據的組織形式

應用層功能：規定應用程序的數據格式。

例：TCP協議能夠爲各類各樣的程序傳遞數據，好比Email、WWW、FTP等等。那麼，必須有不一樣協議規定電子郵件、網頁、FTP數據的格式，這些應用程序協議就構成了」應用層」。

2、網絡通訊的實現

想實現網絡通訊，每臺主機需具有四要素

本機的IP地址
子網掩碼
網關的IP地址
DNS的IP地址

獲取這四要素分兩種方式

1.靜態獲取

即手動配置

2.動態獲取

經過dhcp獲取

以太網頭

ip頭

udp頭

dhcp數據包

（1）最前面的」以太網標頭」，設置發出方（本機）的MAC地址和接收方（DHCP服務器）的MAC地址。前者就是本機網卡的MAC地址，後者這時不知道，就填入一個廣播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。

（2）後面的」IP標頭」，設置發出方的IP地址和接收方的IP地址。這時，對於這二者，本機都不知道。因而，發出方的IP地址就設爲0.0.0.0，接收方的IP地址設爲255.255.255.255。

（3）最後的」UDP標頭」，設置發出方的端口和接收方的端口。這一部分是DHCP協議規定好的，發出方是68端口，接收方是67端口。

這個數據包構造完成後，就能夠發出了。以太網是廣播發送，同一個子網絡的每臺計算機都收到了這個包。由於接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是發給誰的，因此每臺收到這個包的計算機，還必須分析這個包的IP地址，才能肯定是否是發給本身的。當看到發出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，因而DHCP服務器知道」這個包是發給個人」，而其餘計算機就能夠丟棄這個包。

接下來，DHCP服務器讀出這個包的數據內容，分配好IP地址，發送回去一個」DHCP響應」數據包。這個響應包的結構也是相似的，以太網標頭的MAC地址是雙方的網卡地址，IP標頭的IP地址是DHCP服務器的IP地址（發出方）和255.255.255.255（接收方），UDP標頭的端口是67（發出方）和68（接收方），分配給請求端的IP地址和本網絡的具體參數則包含在Data部分。

新加入的計算機收到這個響應包，因而就知道了本身的IP地址、子網掩碼、網關地址、DNS服務器等等參數

3、網絡通訊流程

1.本機獲取

本機的IP地址：192.168.1.100
子網掩碼：255.255.255.0
網關的IP地址：192.168.1.1
DNS的IP地址：8.8.8.8

2.打開瀏覽器，想要訪問Google，在地址欄輸入了網址：www.google.com。

3.dns協議(基於udp協議)

13臺根dns：

A.root-servers.net198.41.0.4美國
B.root-servers.net192.228.79.201美國（另支持IPv6）
C.root-servers.net192.33.4.12法國
D.root-servers.net128.8.10.90美國
E.root-servers.net192.203.230.10美國
F.root-servers.net192.5.5.241美國（另支持IPv6）
G.root-servers.net192.112.36.4美國
H.root-servers.net128.63.2.53美國（另支持IPv6）
I.root-servers.net192.36.148.17瑞典
J.root-servers.net192.58.128.30美國
K.root-servers.net193.0.14.129英國（另支持IPv6）
L.root-servers.net198.32.64.12美國
M.root-servers.net202.12.27.33日本（另支持IPv6）

域名定義：http://jingyan.baidu.com/article/1974b289a649daf4b1f774cb.html

頂級域名：以.com,.net,.org,.cn等等屬於國際頂級域名，根據目前的國際互聯網域名體系，國際頂級域名分爲兩類：類別頂級域名(gTLD)和地理頂級域名(ccTLD)兩種。類別頂級域名是以"COM"、"NET"、"ORG"、"BIZ"、"INFO"等結尾的域名，均由國外公司負責管理。地理頂級域名是以國家或地區代碼爲結尾的域名，如"CN"表明中國，"UK"表明英國。地理頂級域名通常由各個國家或地區負責管理。

二級域名：二級域名是以頂級域名爲基礎的地理域名，比喻中國的二級域有，.com.cn,.net.cn,.org.cn,.gd.cn等.子域名是其父域名的子域名，比喻父域名是abc.com,子域名就是www.abc.com或者*.abc.com.
通常來講，二級域名是域名的一條記錄，好比alidiedie.com是一個域名，www.alidiedie.com是其中比較經常使用的記錄，通常默認是用這個，可是相似*.alidiedie.com的域名所有稱做是alidiedie.com的二級

4.HTTP部分的內容，相似於下面這樣：

GET / HTTP/1.1
Host: www.google.com
Connection: keep-alive
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ……
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
Cookie: … …

咱們假定這個部分的長度爲4960字節，它會被嵌在TCP數據包之中。

5 TCP協議

TCP數據包須要設置端口，接收方（Google）的HTTP端口默認是80，發送方（本機）的端口是一個隨機生成的1024-65535之間的整數，假定爲51775。

TCP數據包的標頭長度爲20字節，加上嵌入HTTP的數據包，總長度變爲4980字節。

6 IP協議

而後，TCP數據包再嵌入IP數據包。IP數據包須要設置雙方的IP地址，這是已知的，發送方是192.168.1.100（本機），接收方是172.194.72.105（Google）。

IP數據包的標頭長度爲20字節，加上嵌入的TCP數據包，總長度變爲5000字節。

7 以太網協議

最後，IP數據包嵌入以太網數據包。以太網數據包須要設置雙方的MAC地址，發送方爲本機的網卡MAC地址，接收方爲網關192.168.1.1的MAC地址（經過ARP協議獲得）。

以太網數據包的數據部分，最大長度爲1500字節，而如今的IP數據包長度爲5000字節。所以，IP數據包必須分割成四個包。由於每一個包都有本身的IP標頭（20字節），因此四個包的IP數據包的長度分別爲1500、1500、1500、560。

8 服務器端響應

通過多個網關的轉發，Google的服務器172.194.72.105，收到了這四個以太網數據包。